2010材料性能学生思考

《材料力学性能》思考题
一、名词解释：
弹性比功；包申格效应；粘弹性；滞弹性；内耗；超塑性；脆性断裂；韧性断裂；解理断裂；剪切断裂；解理台阶；韧窝；应力状态软性系数；布氏硬度；洛氏硬度；维氏硬度；缺口敏感度；低温脆性；篮脆；韧脆转变温度；低应力脆断；应力场强度因子；断裂韧性；应力比；疲劳源；疲劳贝纹线；疲劳条带；驻留滑移带；疲劳寿命；次载锻炼；热疲劳；高周疲劳和低周疲劳；磨损；比磨损量；粘着磨损；磨粒磨损；接触疲劳；蠕变；持久强度，蠕变极限，松弛稳定性；过载损伤界；约比温度；过载持久值；疲劳剩余寿命；应力松弛；等强温度；
二、说明下列力学性能指标的意义：
σbc ；σpc ；σpb ；σbb ；τs ；τp0.3；τb ；γmax ；280HBS10/3000/30；500HBW5/750；HR30N ；
HV ；HK ；HS ；q e ；A KV (CVN) ；A KU , a KV ；a KU , V 15TT, FATT50；NDT, FTE,FTP ；K Ic ；G Ic ；J Ic ；δc ；σ-1，σ-1P ,σ-1N ,τ-1,q f ,ΔK th ,da/dN, sh σ；T εσ ；T τδσ/；T τσ 。

三、分析问答题
第一章
1.材料的弹性模数主要取决于什么因素？为何说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？
2. 决定金属材料屈服强度的主要因素有哪些？提高金属材料的屈服强度有哪些方法?
3. 金属材料的应变硬化有何实际意义？抗拉强度为何比屈服强度高？
4．屈服现象有何意义？如何判断材料的屈服点？
5、什么是平面应力状态，什么是平面应变状态?为什么平面应变情况最容易脆断?
6．为什么在常温下，大多数无机材料不能产生塑性形变，而多数金属材料则容易产生塑性形变？
7. 何为拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口的形态的因素有哪些？
8、为什么材料的塑性要以延伸率和断面收缩率这两个指标来度量?它们在工程上各有什么实际意义?
9.包申格效应有何意义？工程中对机件会产生哪些影响？
10.试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力－伸长曲线图上的区别？为什么？
11. 试述韧性断裂与脆性断裂的区别，为什么说脆性断裂最危险？
12. 常温静拉伸试验可确定金属材料的哪些性能指标？说出这些指标的符号定义、意义。

13. 试述纤维复合材料的基本特点，复合材料受力时纤维和基体各起什么作用？
14.四种强化手段对弹性模量有何影响？
15.试说明材料弹性模量怎样受温度、相变、合金成分与组织以及加工硬化的影响？
16．常用的标准试样有5 倍试样和10 倍试样，其延伸率分别用σ5和σ10表示，说明为什
么σ5>σ10。

17.多晶体材料的塑性变形特点有哪些？
18.试分析金属材料在屈服阶段为何存在上下屈服点？
19.试说明规定残余伸长应力与规定总伸长应力的区别？
20.产生超塑性需要哪三种条件？
21.论述格雷菲斯裂纹理论分析问题的思路，推导格雷菲斯方程，并指出该理论的局限性
22.试用位错理论解释：粗晶粒不仅屈服强度低，断裂塑性也低；而细晶粒不仅使材料的屈服强度提高，断裂塑性也提高。

23.今有45、45Cr、35CrMo钢和灰铸铁几种材料，你选择哪种材料做机床床身？为什么？
24.试述多晶体金属产生明显屈服的条件，并解释bcc金属及其合金与fcc金属及其合金屈服行为不同的原因？
25.循环韧性有何工程意义？选择音叉需要选择循环韧性高的还是低的材料？
26.影响金属材料塑性的因素及提高塑性的途径有哪些？
27.板材宏观脆性断口的主要特征是什么？如何寻找断裂源？
28.钢淬火或塑性变形后弹性后效倾向增大，为什么？
29.铁素体的断裂强度和屈服强度均与晶粒尺寸d-1/2成正比，怎样解释这一现象
30.简述韧性断裂过程中基体和第二相的作用，其形态对材料韧性水平有何关系。

31.韧性断口有几部分组成？其形成过程如何？有哪些因素决定韧性断口的宏观形貌？
32.在什么条件下易于出现沿晶断裂？怎样才能减少沿晶断裂倾向？
33．名义应力与真实应力、名义应变与真实应变之间有何区别？
第二章
1. 布氏硬度与洛氏硬度可否直接比较？
2. 缺口对材料的拉伸力学性能有什么影响？
3. 什么叫应力状态？应力状态软性系数取决于什么因素？
4. 什么叫金属的缺口效应？
5.金属材料在受到扭转、单向拉伸、三向等拉伸、单向压缩、两向压缩、三向压缩应力作用时，其应力状态软性系数分别为多少？
6.试述脆性材料弯曲试验的特点及其应用
7.缺口试样拉伸时应力分布有何特点？
8.试综合比较光滑试样轴向拉伸、缺口试样轴向拉伸和偏斜拉伸试验的特点
9.机器零件一般会受到哪种力的作用？
10、为什么塑性材料在缺口静拉伸时，其缺口强度一般比光滑试样高，而脆性材料的缺口强度则低于光滑试样的强度?
11．说明几何强化现象的成因。

其本质与形变强化有何不同？
12.简述扭转试验的特点及应用。

13. 布氏硬度与洛氏硬度的测量方法有何不同？280HBS10/3000/30与500HBW5/750代表什么意思？HRA、HRB、HRC分别用于测量何种材料的硬度？
第三章
1. 试说明低温脆性的物理本质及其影响因素？
2. 试述低应力脆断的原因和预防措施。

3.为何讲冲击韧性无物理意义，有实际意义？主要有哪些用途？
4.简述根据韧脆转变温度分析机件脆断失效的优缺点
5．细化晶粒尺寸可以降低脆性转变温度或者说改善材料低温脆性，为什么？
6.说明为什么焊接船只比铆接船只易发生脆性破坏？
7．缺口冲击韧性为什么被列为材料常规性能的五大指标之一，怎样正确理解冲击韧性
的功能：
(a)它是控制工艺的性能指标；(b)它是服役性能指标；(c)两者兼而有之，但要具体分析。

你对上述说法有何评论?冲击韧性能理解为材料抵抗冲击载荷而不发生破坏的能力吗?
8、缺口冲击韧性试验能评定那些材料的低温脆性?那些材料不能用此方法检验和评定?这种试验方法本身在防止材料脆断方面有何局限性?
9．为什么通常体心立方金属显示低温脆性，而面心立方金属一般没有低温脆性?
第四章
1. 说明K
I 和K
Ic
的异同。

2.写出断裂韧度G判据表达式，其物理意义是什么？
3.亚温淬火为何能够提高材料的断裂韧性？
4.高温形变热处理为何能够提高材料的断裂韧性？
5.低温形变热处理为何能够提高材料的断裂韧性？
6.应变速率是如何影响材料的断裂韧性的？
7.为什么研究裂纹扩展的力学条件时不用应力判据而用其它判据？
8.试述应力场强度因子的意义及典型裂纹KⅠ的表达式
9.试述K判据的意义及用途
10.试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素，在什么条件下需考虑塑性区的影响对KⅠ进行修正？
11.试述KⅠc的测试原理及其对试样的基本要求
12．材料中的裂纹是如何产生的？
13．材料的显微结构对其脆性断裂有何影响？
14. 应力场强度因子与什么有关？
15. 张开型、滑开型和撕开型哪种断裂方式最危险？
16.试述影响KⅠc的冶金因素
17.试述KⅠc与材料的强度、塑性之间的关系
18.试述影响KⅠc和A kV的异同及其相互之间的关系
19．为什么材料的实际强度远小于其理论强度？
20．根据Griffith微裂纹理论，材料产生脆性断裂的本质原因是什么？
21．从能量角度来看，裂纹扩展的条件是什么？
22．防止裂纹扩展可采取哪些措施？
23．裂纹的扩展方式有哪些？通常材料破坏中最主要的裂纹扩展形式是哪种？24．什么叫断裂韧性？它与应力场强度因子有何联系与区别？
第五章
1.轴对称循环应力的平均应力、应力幅和应力比分别为多少？
2.提高材料疲劳强度有哪些方法？试就每种方法各举一应用实例，并对这种方法具体分析，其在抑制疲劳裂纹的萌生中起有益作用，还是在阻碍疲劳裂纹扩展中有良好的效果?
3.材料的抗热震性和热疲劳损伤性能有何区别？其断裂过程可分别基于什么理论进行分析？
4. 疲劳宏观断口上的贝纹线与微观断口的条带有什么区别？
5．试说明疲劳裂纹扩展曲线的三个区域的特点和影响因素。

6.如何根据疲劳条带特征判断其是属于韧性的还是脆性的？
7.试述金属疲劳断裂的特点
8.试述疲劳曲线（S-N）及疲劳极限的测试方法
9.试述疲劳图的意义、建立和用途
10.试述疲劳裂纹的形成机理及阻止疲劳裂纹萌生的一般方法
11.试述金属表面强化对疲劳强度的影响
12.喷丸处理为何改善材料的疲劳性能？
13．疲劳断口和静拉伸断口有何不同?
14．什么是疲劳裂纹门槛值，哪些因素影响其值的大小?它有什么实用价值?
15. 疲劳断裂是“脆性的”和疲劳断裂是“塑性的”，哪一种意见对？为什么？
16.高速钢冲头在使用过程中常发生脆性断裂，改用基体钢后寿命有显著提高，说明其原因
第六章
1.粘着磨损与氧化磨损有何区别，分别随滑动速度和载荷如何变化？
2.摩擦副材料的硬度一般较测试材料高，请问为何一般不能选择同种材料作摩擦副？
3.评述陶瓷材料耐磨性的特点
4．粘着磨损是如何产生的?如何提高材料或零件的抗粘着磨损能力?
5.比较粘着磨损、磨粒磨损和微动磨损摩擦面的形貌特征
6.耐磨性一般如何测量？
7.磨损量的测定方法有哪两种？
8.请问为何一般不能选择同种材料作摩擦副？
9．接触疲劳破坏有几种形式?他们是如何产生的?如何提高零件的接触疲劳抗力? 10．磨粒磨损有几种类型?试各举一实例说明。

针对不同磨粒磨损类型，如何提高材料或零件的磨损抗力?
11.试分析接触疲劳过程中的深层剥落是如何产生的？
第七章
1.试说明材料的持久强度极限是如何由实验方法测得的？
2.试说明使材料产生稳态蠕变速率的蠕变极限是如何由实验方法测得的？
3.某些用于高温的沉淀强化镍基合金，不仅有晶内沉淀，还有晶界沉淀，晶界沉淀相是一种硬质金属间化合物，它对这类合金的抗蠕变性能有何贡献？
4．解释材料高温蠕变现象的理论主要有哪些？
5．影响高温蠕变的因素有哪些？
6. 试分析晶粒大小对金属材料高温力学性能的影响。

7. 讨论稳态蠕变阶段的变形机制以及温度和应力的影响。

8．提高材料的蠕变抗力有哪些途径?
9．应力松弛和蠕变有何关系?
10. 材料的高温性能包括哪些？
11.为什么许多在高温下工作的零件要考虑蠕变与疲劳的交互作用?
12．金属材料在高温下的变形机制与断裂机制，和常温比较有何不同?
四、计算
1. 通常纯铁的γ
s =2J/m2,E=2×105MPa,a
=2.5×10-10m，试求其理论断裂强度σ
m。

2. 若一薄板内有一条长3毫米的裂纹，且a
=3×10-8mm，试求脆性断裂时的断裂应力σc（设σm=E/105MPa）。

3. 有一材料E=2×1011N/m2, γ
s
=8N/m,试计算在 7×107N/m2的拉力作用下，该材料的临界裂纹长度？
4. 有一大型板件，材料的σ0.2＝1200MPa,K Ic=115MPa·m1/2,探伤发现有20mm长的横向穿
透裂纹，若在平均轴向应力900MPa下工作,试计算K
I
和塑性区宽度，并判断该件是否安全。

5. 设某压力容器周向应力σ＝1400Mpa，采用焊接工艺后可能有纵向表面裂纹(半椭圆)a=1mm,a/c=0.
6.现可以选用的两种材料分别有如下性能：
A 钢σ
0.2 ＝1700Mpa, K
Ⅰc
=74Mpa ； B 钢σ
0.2
＝2100 MPa，K
Ⅰc
=47Mpa 。

试从防止低
应力断裂考虑，应选用哪种材料。

（提示：参考有关半椭圆表面裂纹，而且还要考虑到塑性修正的应力场强度因子K
Ⅰ
表达式）
6. 有板件在脉动载荷下工作，σ
max =200MPa,σ
min
=0,该材料的σ
b
=670MPa, σ
0.2=600MPa,K
Ic
=104MPa·m1/2,Paris公式中，C=6.9×10-12,n=3.0，使用中发现有0.1mm和
1mm的横向穿透裂纹，请估算他们的疲劳剩余寿命？
7.有一轴件平均轴向工作应力150MPa，使用中发生横向疲劳脆性正断，断口分析表明有25mm深的表面半椭圆疲劳区，根据裂纹a/c 可以确定Φ=1，测试材料的σ
0.2
＝720MPa
试估算材料的K
Ⅰc
是多少？
8．一铝合金制轻型人梯，发觉在人体重作用下弹性挠度过大。

若欲在不增加梯重情况下减少挠度，试问下列方法是否可行?
(1)采用时效铝合金，提高材料强度；
(2)改用镁合金代替铝合金，E
Mg =4.3×1010N/m2，ρMg＝1.74g/m3；E
Al
=7×1010N/m2，ρAl＝
2.7g/m3；
(3)重新设计，改变铝合金型材的截面形状尺寸。

9．设有屈服强度为415MPa，断裂韧性为132 MPa.m1/2，厚度分别为100mm 和260 mm的两块很宽的合金钢板。

如果板都受500 MPa的拉应力作用，并设板内都有长为46mm的中心穿透裂纹，试问此两板内裂纹是否都扩展?
10.物体内部有一圆盘状尖锐深埋裂纹，直径为2.5cmm，当作用的应力为700 MPa时，物体发生断裂事故，求:
(a)材料的断裂韧性是多少?(假定满足平面应变条件。

)
(b)若用这种材料制成一块厚度t=0.75cm，裂纹半长a=3.75cm的板作断裂韧性试验，问测得的断裂韧性值是否有效?(设材料的屈服强度为1100 MPa。

)
(c)测得有效K
IC
的厚度是多少?
11．一直径为2.5mm，长为200mm 的杆，在载荷2000N作用下，直径缩小为2.2mm, 试计算：
(1)杆的最终长度；
(2)在该载荷作用下的真应力S 与真应变e；
(3)在该载荷作用下的名义应力σ与名义应变δ。

12．一块无限大板，远处的应力为350 MPa，板中心有一长为5/πcm的穿透裂纹，材料的屈服强度为500 MPa，求(a)裂纹顶端处的应力强度因子。

(b)裂纹顶端处的塑性区尺寸。

(c)讨论上述情况下塑性区修正的有效性。

13．低合金钢厚板的断裂韧性在-20℃时的G
Ⅰc =5.1×10-2MN/m，G
Ⅰc
值随温度成比例地减
小，每下降10℃，G
Ⅰc
降低1.3×10-2MN/m，如果这块板上有长度为10mm 的裂纹，问在-50℃
时σ
c
的断裂应力是多少?( E=2×105MN/m2,ν)
五、分析
1. 某校力学性能试验室装有液压万能实验机、扭转试验机和疲劳试验机等设备，今欲测定下列材料的塑性：（1）40CrNiMn调质钢试样,（2）20Cr渗碳淬火钢试样,（3）W18Cr4V 钢淬火回火试样，（4）灰铸铁试样，可分别采用哪种试验机？采用何种试验方法？为什么？
2. 今有如下工件需要测定硬度，试说明选用何种硬度试验法为宜？（1）渗碳层的硬度分布；（2）淬火钢；（3）灰铸铁，（4）硬质合金，（5）鉴别钢中的隐晶马氏体与残余奥氏体，（6）仪表小黄铜齿轮，（7）龙门刨床导轨，（8）氮化层，（9）火车圆弹簧，（10）高速钢刀具。

3. 下列3组试验方法中，试举出每组中哪种试验方法测得的t
较高？为什么？（1）拉
k
伸和扭转；（2）缺口静弯曲和缺口扭转弯曲，（3）光滑试样拉伸和缺口试样拉伸？
4. 现需检验一下材料的冲击韧性，问哪些材料需要开缺口？哪些材料不要开缺口？W18Cr4V,Cr12MoV,3Cr2W8V,40CrNiMo,30CrMnSi,20CrMnTi,铸铁。

5.试将下列材料的弹性比功由大到小进行排序：黄铜，高强铝合金，人造橡胶，铍青铜，弹簧钢。

6.有一M24栓焊桥梁用高强度螺栓，采用40B钢调质制成，抗拉强度为1200MPa，承受拉应力650MPa。

在使用中，由于潮湿空气及雨淋的影响发生断裂事故。

观察断口发现，裂纹从螺纹根部开始，有明显的沿晶断裂特征，随后是快速脆断部分。

断口上有较多腐蚀产物，且有较多的二次裂纹。

试分析该螺栓产生断裂的原因，并考虑防止这种断裂的措施。

7．今有以下各种材料，欲评定材料在静载条件下的力学行为，给定测试方法有单向拉伸、单向压缩、弯曲、扭转和硬度五种，试对给定的材料选定一种或两种最佳的测试方法。

材料：低碳钢、灰铸铁、高碳工具钢(经淬火低温回火)、结构陶瓷、玻璃、热塑性塑料8．试比较材料的冲击韧性和断裂韧性这两个性能指标，它们有哪些相似的地方?为什么有这种定性的变化关系?在工程应用上断裂韧性是否可以完全代替冲击韧性，还是两者有互补作用，因而需同时采用它们?。